JP2007234724A - 垂直共振器型面発光レーザ、該垂直共振器型面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の反射鏡と第2の反射鏡との間に活性層104を有する垂直共振器型面発光レーザにおいて、
前記第1および第2の反射鏡の少なくとも一方の反射鏡が、二次元フォトニック結晶107を含み構成され、
前記二次元フォトニック結晶を含む反射鏡が、該反射鏡の面内で不均一な実効屈折率分布を持つ構造106を備え、横モードを制御可能に構成する。
【選択図】 図1
Description
この垂直共振器型面発光レーザは、つぎのような多くの特長を有することから現在盛んに研究されている。
すなわち、ビーム形状が円に近く光ファイバとの光結合が容易であること、へき開せずにウエハ検査ができること、0.1ミリアンペア前後の低しきい値で動作すること、高速変調が可能であること、面内集積化に有利であること、等多くの特長を有している。
しかし、これらの多くの特長を有する反面、単一横モードで発振できるビーム径が小さい(〜4μmφ)こと、偏波が安定しないこと、等の問題を有しており、これらが実用化の妨げになっている。
ここでは、垂直共振器型面発光レーザの上部反射鏡を構成するDBRに穴を掘ることで、中心に点欠陥を含む二次元フォトニック結晶を作製し、実効屈折率差により光を閉じ込めて横モード制御を行っている。
つまり、点欠陥部分をコアとして、そのまわりのフォトニック結晶部分をクラッドとして働かせ、横モード制御を行っている。
また、非特許文献3及び非特許文献4では、二次元フォトニック結晶スラブに、面と垂直な方向から光を入射させた場合の反射光・透過光についての検討をおこなった結果、ある周波数の光はほぼ100%の効率で反射されることが報告されている。つまり、二次元フォトニック結晶スラブは高反射率の反射鏡として動作し得る。
Appl.Phys.Lett.,Vol.80,3901 Appl.Phys.Lett.,Vol.82,1344 Physical Review B,Vol.65,235112 Optics Express,Vol.13,6564
しかしながら、従来において、2次元フォトニック結晶を垂直共振器型面発光レーザの反射鏡に適用した場合、高反射率と横モード制御を同時に実現するような2次元フォトニック結晶による反射鏡が得られていないのが現状である。
本発明は、上記課題に鑑み、高反射率と横モード制御を同時に実現することが可能となる反射鏡を備えた垂直共振器型面発光レーザ、該垂直共振器型面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明の垂直共振器型面発光レーザは、第1の反射鏡と第2の反射鏡との間に活性層を有する垂直共振器型面発光レーザにおいて、
前記第1および第2の反射鏡の少なくとも一方の反射鏡が、二次元フォトニック結晶を含み構成され、
前記二次元フォトニック結晶を含む反射鏡は、該反射鏡の面内で不均一な実効屈折率分布を持つ構造を備えることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記不均一な実効屈折率分布を実現する構造が、横モードが制御可能であるように前記二次元フォトニック結晶を構成する穴の深さを変調させて構成されていることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記穴の深さが、前記二次元フォトニック結晶を構成する穴に充填物を設けることによって変調されていることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記穴の深さが、ガウシアン状に変調され、または中心からの距離に比例あるいは該距離の二乗に比例するように変調されていることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記不均一な実効屈折率分布を実現する構造が、前記二次元フォトニック結晶を構成する穴の密度を不均一に変化させて構成されていることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記二次元フォトニック結晶が、前記垂直共振器型面発光レーザの反射鏡を構成している分布ブラッグ反射鏡に形成されていることを特徴としている。
また、本発明の二次元フォトニック結晶の製造方法は、反射鏡の面内で不均一な実効屈折率分布を持つ構造を備えた上記した垂直共振器型面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法であって、
前記二次元フォトニック結晶を構成する穴を形成するに際し、不均一な深さ分布の穴を作製する工程を有することを特徴としている。
また、本発明の二次元フォトニック結晶の製造方法は、
前記不均一な深さ分布の穴が、前記二次元フォトニック結晶の中心部を構成する穴に近づくにつれて小さくなるようにパターニングされたホール径を、ドライエッチングすることによって形成されていることを特徴としている。
また、本発明の二次元フォトニック結晶の製造方法は、前記不均一な深さ分布の穴が、前記二次元フォトニック結晶を構成する穴に詰め物をすることによって形成されていることを特徴としている。
また、本発明の二次元フォトニック結晶の製造方法は、前記不均一な深さ分布の穴が、ガウシアン状の深さ分布によって形成され、または中心からの距離に比例あるいは該距離の二乗に比例する深さ分布によって形成されていることを特徴としている。
すなわち、垂直共振器型面発光レーザを構成するに際し、二次元フォトニック結晶を含む反射鏡を、その面内で不均一な実効屈折率の分布を持つような構造とすることにより、高反射率で横モード制御可能な反射鏡の構成を見出した。
前述したように、実効屈折率を変化させる方法の一つに、二次元フォトニック結晶を構成する穴の深さを変えるという方法(非特許文献2)が知られている。
しかしながら、本発明では、全ての穴の深さを一様に変化させるのではなく、穴の深さを変調させるようにした新規な構成が採られる。
本発明の実施の形態では、より具体的に不均一な実効屈折率分布を実現するため、全ての穴の深さを一様に変化させるのではなく、不均一な穴の深さ分布を作製することで、不均一な実効屈折率分布を実現するようにした構成を採ることができる。
このような不均一な深さ分布の例としては、ガウシアン状、中心からの距離に比例、中心からの距離の二乗に比例するように穴の深さを変調させる等が挙げられる。
他の方法として、均一に作製した二次元フォトニック結晶を構成する穴に、不均一に詰め物をすることで不均一な穴の深さ分布を作製し、不均一な実効屈折率分布を実現することができる。
また、穴の密度を不均一に変化させることによっても、実効屈折率分布を変調することが可能である。
例えば、活性層およびクラッドとしては、通常の垂直共振器型面発光レーザで用いられているダブルへテロ構造、多重量子井戸構造、量子ドット構造などを、そのまま適用することができる。
また、活性層厚とクラッド層厚とによる共振器長Lは、共振光による定在波の腹の部分が活性層に位置するように設計することができる。
また、構成材料としては、GaAs/AlGaAs、InGaAsP/InP、AlGaInP/GaInP、GaN/InGaN/AlGaN、GaInNAs/AlGaAs、等を用いることができる。
これらについても、従来の垂直共振器型面発光レーザと、特に差異はない。
[実施例1]
実施例1においては、本発明を適用して構成した垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図1に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの構成を示す。
図において、101はn型InP基板、102はDBR、103は下部クラッド(スペーサ)、104は活性層、105は上部クラッド、106は円柱空孔、107は二次元フォトニック結晶である。
スペーサ103上には、AlGaInAs/InPの多重量子井戸構造からなる活性層104が設けられており、光や電流によって励起されると、およそ1.53μmを中心とした波長帯域の光を放出する。
活性層104の上にはp型InAlAsからなる上部クラッド105が配置されている。
円柱空孔106の半径や格子定数は一様であるが、円柱空孔106の深さはガウシアン状に変調されており、中心から離れるにしたがって深くなる。
円柱空孔の半径、格子定数、中心での深さは、所望の波長領域の光を高効率で反射する反射鏡として動作するように設計されている。
それにより、レーザ共振器構造が形成され、上部電極108と下部電極109からの電流注入によりレーザ発振を起す。
それに加え、円柱空孔の深さ変調による実効屈折率変調で光のモードを制御することができる。
具体的には、光が実効屈折率の大きい領域に集中した強度分布を持ち、結果として垂直共振器型面発光レーザからの発光パターンはガウシアン状のビームプロファイルを持つ。
実施例2では、実施例1と作製方法の異なる方法で作製された垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図2に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの構成を示す。
図2において、201はn型InP基板、202はDBR、203は下部クラッド(スペーサ)、204は活性層、205は上部クラッド、206は円柱空孔、207は二次元フォトニック結晶、208は上部電極、209は下部電極である。
二次元フォトニック結晶207以外の基本的な構成は、実施例1と同様である。本実施例中の二次元フォトニック結晶207は、中心に近づくにつれホール径が小さくなるようにパターニングしてある。
ホール径に変調を加えることの効果は、ホール径の違いによるエッチングレートの違いを利用して、深さ変調を行うことができることである。
前述のように、中心に近づくにつれてホール径が小さくなるようにパターニングしておけば、ドライエッチングを行った後に自動的に深さ分布ができ、中心から離れるにしたがって穴が深くなる。
実施例1と同じ実効屈折率分布になるように、ホール径と深さを関連づけて変化させることで、実施例1と同様にガウシアン状のビームプロファイルを持つようにすることができる。
本実施例では、実施例1に比較して複雑なプロセス(例えば、エッチングマスクの厚さ分布の制御)を必要としないという作製上の利点がある。
実施例3では、一般的な構成の垂直共振器型面発光レーザにおける上部DBRに二次元フォトニック結晶を構成した垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図3に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの構成を示す。
図3において、301はn型InP基板、302は下部DBR、303は下部クラッド(スペーサ)、304は活性層、305は上部クラッド、306は円柱空孔、307は二次元フォトニック結晶である。
また、308は上部電極、309は下部電極、310は上部DBRである。
本実施例において、上部DBR310以外の構成は、実施例1と同様である。
本実施例では、一般的な構成の垂直共振器型面発光レーザとして、上部下部ともにDBRによる反射鏡を作製した後に、上部DBR310に円柱空孔306を形成し、二次元フォトニック結晶を構成したものである。
本実施例によれば、DBRで反射率をかせぎ、穴の深さで実効屈折率に分布を持たせて横モード制御を行うことが可能となる。
実施例4では、一般的な構成の垂直共振器型面発光レーザの上に二次元フォトニック結晶スラブを形成した垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図4に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの構成を示す。
図4において、401はn型InP基板、402は下部DBR、403は下部クラッド(スペーサ)、404は活性層、405は上部クラッド、406は円柱空孔、407は二次元フォトニック結晶である。
また、408は上部電極、409は下部電極、410は上部DBRである。
本実施例によれば、穴の深さの変調が強すぎフォトニック結晶だけでは十分な反射率をかせげないような場合に、足りない反射率を上記本実施例のDBRで補強することができる。
その結果、二次元フォトニック結晶で必要な反射率の条件が緩和されるので、設計上の自由度を上げることが可能となる。
実施例5では、二次元フォトニック結晶を構成する穴に詰め物をすることによって穴の深さを変調するようにした垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図5に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの構成を示す。
図5において、501はn型InP基板、502はDBR、503は下部クラッド(スペーサ)、504は活性層、505は上部クラッド、506は円柱空孔、507は二次元フォトニック結晶508は上部電極、509は下部電極、511は詰め物である。
本実施例では、ホール径や深さが均一な二次元フォトニック結晶を作製した後に、不均一に詰め物511を詰めることで、不均一な穴の深さ分布を作製し、これにより不均一な実効屈折率分布を実現することができる。
102:DBR
103:下部クラッド(スペーサ)
104:活性層
105:上部クラッド
106:円柱空孔
107:二次元フォトニック結晶
108:上部電極
109:下部電極
201:n型InP基板
202:DBR
203:下部クラッド(スペーサ)
204:活性層
205:上部クラッド
206:円柱空孔
207:二次元フォトニック結晶
208:上部電極
209:下部電極
301:n型InP基板
302:下部DBR
303:下部クラッド(スペーサ)
304:活性層
305:上部クラッド
306:円柱空孔
307:二次元フォトニック結晶
308:上部電極
309:下部電極
310:上部DBR
401:n型InP基板
402:下部DBR
403:下部クラッド(スペーサ)
404:活性層
405:上部クラッド
406:円柱空孔
407:二次元フォトニック結晶
408:上部電極
409:下部電極
410:上部DBR
501:n型InP基板
502:DBR
503:下部クラッド(スペーサ)
504:活性層
505:上部クラッド
506:円柱空孔
507:二次元フォトニック結晶
508:上部電極
509:下部電極
511:詰め物
Claims (10)
- 第1の反射鏡と第2の反射鏡との間に活性層を有する垂直共振器型面発光レーザにおいて、
前記第1および第2の反射鏡の少なくとも一方の反射鏡が、二次元フォトニック結晶を含み構成され、
前記二次元フォトニック結晶を含む反射鏡は、該反射鏡の面内で不均一な実効屈折率分布を持つ構造を備えることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ。 - 前記不均一な実効屈折率分布を実現する構造が、横モードが制御可能であるように前記二次元フォトニック結晶を構成する穴の深さを変調させて構成されていることを特徴とする請求項1に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記穴の深さが、前記二次元フォトニック結晶を構成する穴に充填物を設けることによって変調されていることを特徴とする請求項2に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記穴の深さが、ガウシアン状に変調され、または中心からの距離に比例あるいは該距離の二乗に比例するように変調されていることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記不均一な実効屈折率分布を実現する構造が、前記二次元フォトニック結晶を構成する穴の密度を不均一に変化させて構成されていることを特徴とする請求項1に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記二次元フォトニック結晶が、前記垂直共振器型面発光レーザの反射鏡を構成している分布ブラッグ反射鏡に形成されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 反射鏡の面内で不均一な実効屈折率分布を持つ構造を備えた請求項1に記載の面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法であって、
前記二次元フォトニック結晶を構成する穴を形成するに際し、不均一な深さ分布の穴を作製する工程を有することを特徴とする二次元フォトニック結晶の製造方法。 - 前記不均一な深さ分布の穴が、前記二次元フォトニック結晶の中心部を構成する穴に近づくにつれて小さくなるようにパターニングされたホール径を、ドライエッチングすることによって形成されていることを特徴とする請求項7に記載の二次元フォトニック結晶の製造方法。
- 前記不均一な深さ分布の穴が、前記二次元フォトニック結晶を構成する穴に詰め物をすることによって形成されていることを特徴とする請求項7に記載の二次元フォトニック結晶の製造方法。
- 前記不均一な深さ分布の穴が、ガウシアン状の深さ分布によって形成され、または中心からの距離に比例あるいは該距離の二乗に比例する深さ分布によって形成されていることを特徴とする請求項7乃至9のいずれか1項に記載の二次元フォトニック結晶の製造方法。
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